本设计基于物联网的三层架构：感知层、网络层、应用层，构建农业温室大棚监控管理系统，通过多种传感器实时感知农业温室大棚内部环境参数；通过WiFi将各个节点采集的数据上传到服务器；用户通过手机即可实时了解到大棚内部情況，并可进行远程设备控制。

Project Proposal

1. High-level project introduction and performance expectation

  近年来，温室大棚的出现使得农作物的生长不再受限于自然环境，农民可以在任何季节进行种植。然而传统的农业大棚多为人工控制，对于温室大棚内农作物的采光、湿度、温度等情况需要定时观察，一方面，加重了农民的劳作负担，増加了劳动力成本，另一方面，传统温室大棚生产的农作物往往经济效益不高，降低了生产效率。为了解决这一问题我们建立了一个基于英特尔旋风FPGA套件的温室大棚智能监测系统，采集温室棚内的各种信息，及时反馈给用户实现智能调节。能够实现更高地生产效益，引导农民科学种植，减少化学肥料的使用，更加绿色环保。

  利用Intel FPGA套件能够对农业温室大棚室内温度、土壤湿度、空气湿度以及光照等环境参数进行实时自动检测与调节。系统内各个环境参数指标可根据用户需求和农作物生长需要，随时进行修改，创造作物生长的最佳环境，以达到增加农业温室大棚农作物产量和提高劳动生产率的目的。设计包括信息采集和控制两个部分。信息采集是指，使用光传感器，湿温度等传感器对温室大棚的温度、土壤湿度、二氧化碳浓度、空气湿度以及光照等环境参数进行实时检测、显示，通过云服务器传送到用户终端；控制部分体现了智能化，包括本地控制和远程控制，本地控制是指通过开关实现温室大棚设备的控制，远程控制是指通过用户手机来实现农业温室大棚各种设备的远距离智能控制以实时调节调节农作物的生长环境。

2. Block Diagram

  本设计以DE10-FPGA为核心，包括三大模块——即环境监测模块、设备控制模块和通信模块。环境监测模块主要由传感器构成，包括环境温湿度传感器、土壤PH值及温湿度传感器（CN0398）、光照传感器以实现信息采集的目的。设备控制模块主要包括与环境调节相关的电器设备如，遮阳帘、日光灯、卷帘机、顶棚灌水仪、风机和加湿器，这些设备可通过联合方式更好地调节环境参数。通信模块通过WI-FI将传感器采集的信息发送到云端，进而到达用户手机终端，同时，用户指令通过下行链路回送至FPGA实现设备远程控制。

（1）DE10 纳米旋风 V SOC FPGA 板

         DE10-Nano开发套件展示了围绕英特尔芯片系统（SoC）FPGA构建的坚固的硬件设计平台，该平台将最新的双核Cortex-A9嵌入式内嵌内核与业界领先的可编程逻辑相结合，实现了设计灵活性。Altera的SoC集成了基于ARM的硬处理器系统（HPS），该系统由处理器、外围设备和内存接口组成，使用高带宽互连骨干与FPGA织物无缝连接。DE10-Nano开发板配备了高DDR3内存、模拟数字功能、以太网网络等，可以实现各种应用。

  硬件处理部分包括：800Mhz的双核ARM*Cortex*-A9MPCore处理器、具有双精度浮点单元的Neon™媒体处理引擎、32KB的指令缓存、32KB的数据缓存和512KB共享缓存、64KB的片上SRAM、1GB32位的SDRAM、8GB的闪存、千兆以太网PHY芯片、一个USB2.0接口、I2C接口、DC934A双16位数模转换器子卡。

  软件处理部分包括：110K个逻辑元件（LE）、5570Kbit的内存、22418x19个乘法器、112个可变精度DSP模块、6个锁相环、145个用户自定义的I/O接口、1个Arduino扩展头、8通道12位的AD转换器、4针500ksps的SPI接口。

（2）WI-FI模块

1）模块介绍

  使用ESP-WROOM-02贴⽚式模组，配置封装为SOP8-150mil的SP IFlash，使⽤2dBi的PCB板载天线。MCU为ESP8266EX，内置了TensilicaL106，32-bit MCU和超低功耗的16-bitRSIC。CPU时钟速度为80 MHz，最⾼可达160 MHz。⽀持实时操作系统(RTOS)。⽬前Wi-Fi协议栈只⽤了20%的处理能⼒，剩下的处理能⼒都可以⽤来做应⽤编程和开发。CPU包括以下接⼝：

  ①连接存储控制器、也可以⽤来访问外接Flash的编码RAM/ROM接⼝；

  ②连接存储控制器的数据RAM接⼝；

  ③访问寄存器的AHB接⼝。

2）
电气参数为：

3）工作模式为：

  ①Modem-sleep⽤于需要CPU⼀直处于⼯作状态的应⽤，如PWM或I2S应⽤等。在保持Wi-Fi连接时，如果没有数据传输，可根据802.11标准（如U-APSD），关闭Wi-Fi Modem电路来省电。

  ②Light-sleep⽤于CPU可暂停的应⽤，如Wi-Fi开关。在保持Wi-Fi连接时，如果没有数据传输，可根据802.11标准（如U-APSD），关闭Wi-Fi Modem电路并暂停CPU来省电。

  ③Deep-sleep⽤于不需⼀直保持Wi-Fi连接，很⻓时间才发送⼀次数据包的应⽤，如每100s测量⼀次温度的传感器。

（3）土壤PH值、湿度检测模块

  该系统分为三个独立的测量前端：pH值、土壤水分和温度。信号调理后，三个通道共享AD7124-824位、模拟到数字转换（ADC）。AD7124-8是一种低功率、低噪音、完全集成的模拟前端，用于高精度测量应用。该设备包含低噪音、24位、+ADC，可配置为具有8个差分输入或15个单端或伪差分输入。片上增益阶段可确保小振幅信号可直接与ADC接口。

  组合pH电极可用于pH测量。它由玻璃电极组成，同心地被参考电极包围。pH电极产生与土壤pH值对应的小直流电压。对测量的pH值进行评估，以确定其是否在种植特定作物所需的pH值范围内。然后，通过提高pH值（添加钙等酸中和剂）或通过降低pH值（例如添加硫磺）来纠正土壤酸度。

  影响作物生长和产量的一个重要因素是土壤含水量。因此，土壤水分测量是农业灌溉系统节水的关键。当今工业中使用的大多数常见的土壤水分传感器都是电容式传感器。湿度传感器将探头之间的测量电容转换为直流电压，可直接与 ADC接口，转换为相应的体积含水量。

流程设计

  在程序开机后，传感器对环境温度、湿度、光线、土壤PH值、土壤温度、土壤湿度等数据进行采集经模数转换后传送至FPGA，并把各项参数信息通过WI-FI模块上传到Azure云上，用户通过Azure云服务器可以在任意时刻查看温室大棚内的参数。当大棚内某一项或多项参数超出预设阈值时，提醒用户等待用户处理，若收到用户指令，则根据用户选择进行环境调节，打开相应设备；若用户在一段时间内未响应，系统将反复询问后自动运行相应模块进行环境调节。

  湿度管理：包括环境湿度和土壤湿度。按照少量多次的原则，每天早晚喷水，保持棚内相对湿70%左右。保持土壤处在湿润的状态。土壤含水量保持在65%~70%。

  温度管理：可分为室温和土壤温度，一般白天室温25℃，达26℃以上后打开风机和卷帘门放风，20℃关闭风口。后半夜至次日晨最低，应控制在10~13℃，地温不低于15℃。若地温过低，则通过打开遮阳帘关闭风机来调节；若土壤温度过高，则关闭遮阳帘并进行浇水。

  光照：根据种植的作物光照需求对大棚内外的遮阳帘进行控制。

  土壤PH值：在种植的时候土壤的PH值会逐渐上升或下降，一般将PH值保持在5.2到8.0以内，根据种植不同的作物用户可以在云端对该参数值进行设置。

3. Expected sustainability results, projected resource savings

  与当前农业模式相比，温室大棚控制系统既可以节省劳动力，又能够节约水资源，符合可持续发展战略要求，系统稳定性高，可扩展性强，能对农作物的生长环境进行实时记录与监测，有利于提高农作物的产量，具有良好的市场价值。该项目通过节省灌溉用水，控制肥料合理施放等手段来实现资源节约和可持续性目标。预期的可持续性结果，所节约的资源如下：

（1）它将通过仔细预测和提供收获作物所用的确切水来节约灌溉用水。估计减少的浪费水量约为30%。

（2）它通过仔细管理土壤中的PH值，将减少肥料对土壤的危害。这将有助于在下一个作物季节将土壤的肥力提高20%。

（3）利用现有资源将产出提高15%。

4. Design Introduction

5. Functional description and implementation

6. Performance metrics, performance to expectation

7. Sustainability results, resource savings achieved

8. Conclusion